CN110672083B - 一种serf原子自旋陀螺仪的单轴调制式磁补偿方法 - Google Patents

Abstract

本方法涉及一种SERF(Spin‑Exchange‑Relaxation‑Free)原子自旋陀螺仪的单轴调制式磁补偿方法。定义陀螺仪抽运光方向为Z轴，检测光信号沿X轴，输出信号敏感Y轴转动角速率；首先在Y轴方向上加方波扫描信号，补偿抽运光方向的主磁场；主磁场补偿至零场后，在抽运光方向加高频调制磁场，实时采集信号，通过锁相放大器解调得到信号中的各倍频分量，通过调节X轴和Y轴磁补偿线圈上的电压大小，观察各倍频解调信号，补偿Bx和By剩磁：其中当一倍频解调信号减小到零时，Bx方向剩余磁场补偿至零场；当二倍频解调信号减小到零时，By方向剩余磁场补偿至零场。该方法可用SERF原子陀螺仪的单束检测光进行三轴磁场补偿，各轴均可补偿至零场，且方法简单，操作步骤更为简便。

Description

一种SERF原子自旋陀螺仪的单轴调制式磁补偿方法

技术领域

本发明属于SERF原子自旋陀螺仪磁补偿技术领域，特别是涉及一种SERF原子自旋陀螺仪的单轴调制式磁补偿方法。

背景技术

针对远程长航时运动载体对超高精度陀螺仪的迫切需求，基于量子操控技术，原子陀螺仪成为新一代高精度陀螺仪的重要发展方向，其中，SERF原子自旋陀螺仪具有超高惯性测量灵敏度，其理论零偏稳定性指标可高达10^-8°/h，兼具小体积，易集成等优点，是未来陀螺仪器的首要选择目标。

SERF原子自旋陀螺仪要求工作在高温、高原子密度、零磁的环境下。工作在该环境下，是SERF态的基本要求，此时碱金属原子具有更长弛豫时间。为充分保证其中零磁的关键条件，需要通过磁场补偿线圈补偿各轴方向微弱的剩余磁场，以提高陀螺仪精度和灵敏度。

目前传统的补磁场方法主要有两种：一种是双轴磁补偿方法，该方法仅适用于具有双轴检测光的SERF原子陀螺仪，不适用与体积更小结构更为简单的单轴SERF原子陀螺仪；而另一种是传统的单轴磁补偿方法(通过方波扫描Z轴进行补偿)，该方法在补偿X轴磁场时，X轴剩磁量级会受限于Y轴剩磁量级，当X和Y方向剩磁量级相当时，传统方法则无法用于补偿剩余磁场。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术不足，提出一种SERF原子自旋陀螺仪的单轴调制式磁补偿方法，通过该方法能将各轴磁场补偿至零场，有效降低横向和纵向剩磁对核子和电子自旋的影响，从而提高陀螺仪的灵敏度和精度。

本发明技术方案如下：

一种SERF原子自旋陀螺仪的单轴调制式磁补偿方法，其特征在于，定义陀螺仪抽运光方向为Z轴，检测光信号沿X轴，输出信号敏感Y轴转动角速率；首先在Y轴方向上加方波扫描信号，补偿抽运光方向的主磁场；主磁场补偿至零场后，在抽运光方向加高频调制磁场，实时采集信号，通过锁相放大器解调得到信号中的各倍频分量，通过调节X轴和Y轴磁补偿线圈上的电压大小，观察各倍频解调信号，补偿Bx和By剩磁，当一倍频解调信号减小到零时，Bx方向剩余磁场补偿至零场；当二倍频解调信号减小到零时，By方向剩余磁场补偿至零场。

所述方法包括以下步骤：

步骤(1)、首先把SERF原子自旋陀螺仪安装在稳定平台上，调整陀螺仪至正常工作状态，使抽运激光沿Z轴进入敏感气室，检测激光沿X轴方向入射敏感气室，使Y轴沿垂直于检测激光和抽运激光的方向；

步骤(1)中，陀螺仪系统包括一个敏感气室、无磁电加热系统、磁屏蔽系统、三轴磁场补偿线圈、抽运和检测系统、电路系统。敏感气室中充有碱金属钾原子、铷原子、惰性气体氖-21和淬灭气体氮气；无磁电加热系统将气室加热到工作温度，使气室内形成高气体密度环境；磁屏蔽系统隔离环境磁场，使系统工作在稳定弱磁环境下；三轴磁场补偿线圈通过直流偏置主动补偿磁屏蔽后的剩磁。抽运系统由抽运激光器模块、整形扩束模块、饱和吸收稳频模块、抽运光稳功率模块组成。抽运激光从抽运激光器模块出射，经过整形变成能覆盖气室的大圆光斑，通过饱和吸收稳频模块，使抽运光稳定在钾原子D1线的饱和吸收峰处，通过抽运光稳功率模块，使光强保持大功率且稳定的状态。抽运激光经过各模块后经过一片1/4波片变为圆偏振光沿Z轴进入碱金属气室，极化钾原子。极化的钾原子通过自旋交换碰撞极化铷原子，并进而超极化惰性气体核子氖-21。检测系统包含检测激光器、检测光稳功率模块和差分检测光路，单轴检测光由检测激光器出射，以铷原子D1线为中心频率，调整至百GHz的偏频，以获得最高的信噪比；检测光沿X轴方向入射敏感气室，由敏感气室出射后经差分检测光路检测出光旋角信号。确保上述工作状态，调整陀螺仪至正常工作。

步骤(2)、在Y轴方向的磁补偿线圈施加方波扫描电压，产生Y方向的方波扫描磁场。调节Z轴磁补偿线圈上的电压，改变Z轴施加的偏置补偿磁场，直到X轴光信号的数值不因Y轴扫描磁场的高低而改变，此时Z轴剩磁补偿至零；关闭Y轴扫描场。

步骤(3)、在Z轴方向的磁补偿线圈上施加高频正弦调制信号，相当于对气室中的粒子施加一个沿Z轴方向的高频磁场信号，由于核子的共振峰约在Hz量级，电子共振峰在200Hz量级，当高频磁场远大于Hz量级时，可以视为其只作用于电子而核子不受调制影响。通过锁相放大器实时采集X轴输出信号，实时解调一倍频和二倍频，得到X轴输出信号的一、二倍频分量。

步骤(4)、调节X轴方向磁补偿线圈的电压值，从而调节X轴方向磁场，当一倍频解调信号降至零时，X轴方向剩余磁场被补偿至零；调节Y轴方向磁补偿线圈的电压值，从而调节Y轴方向磁场，当二倍频解调信号降至零时，Y轴方向剩余磁场被补偿至零；最后关闭Z轴高频调制场即可。

本发明的原理是：SERF原子自旋陀螺需在横向和纵向施加大小等于惰性气体核子和碱金属电子产生的等效磁场之和，与核子磁场和电子磁场方向相反的补偿偏置磁场，从而使碱金属电子工作在近零磁场条件下，该补偿磁场称为自补偿点。由于核子的磁场响应约为Hz量级，而电子的磁场响应有200Hz量级，施加纵向Z轴的高频磁场调制，使电子敏感磁场调制，而核子几乎不受影响。

在陀螺仪稳定工作且零角速率输入的情况下，根据Bloch方程计算得，X轴光信号S_x中B_y相关项为：

其中S_x为X轴检测光输出的电压信号，B_y为Y方向剩余磁场，γ_e为电子旋磁比，P_ez为Z轴方向电子极化率，R_etot为电子总弛豫率，B_z为Z方向剩余磁场，B_n为核子自旋产生的磁场。

在Y轴方向上施加一个方波调制磁场，相当于对X轴信号S_x中的B_y项求一阶偏导。若Z轴方向上剩磁B_z＝0，则检测光信号S_x的输出数值不因B_y而改变，即S_x′(B_y)＝0。记此时Z轴剩磁为零的Z向偏置补偿磁场为B₀，B₀＝-B_e-B_n，而电子感受到磁场为外加磁场B₀与核子自旋磁场B_n的总和，即与电子自身自旋产生磁场等大反向的磁场-B_e。

Z轴剩余磁场B_z补偿为零后，关闭Y方向扫描场，在Z方向的偏置补偿磁场B₀上额外叠加一个高频正弦调制信号B_msin(ωt)，则Z轴施加的磁场B_a表示为：

B_a＝B_m cos(tω)+B_z

其中B_a为Z轴方向施加的磁场，B_m为调制磁场幅值，B₀为前述的Z轴偏置补偿磁场，ω为角频率。

气室中的电子感受到沿Z方向的高频调制磁场信号，其横向极化响应根据Rloch方程为，

其中，P₊＝P_x+iP_y，P₊为横向平面内的极化矢量，P_x为X轴方向极化分量，P_y为Y轴方向极化分量；Q为减速因子，R_etot为电子总弛豫率，γ_e为电子旋磁比，B_m为调制磁场幅值，ω为调制磁场角频率，B_e为电子磁场；B₊＝B_x+iB_y，其中B₊为横向平面内的磁场矢量，P_x为X轴方向磁场，P_y为Y轴方向磁场；P_ez为电子纵向极化率。

X轴的输出信号为调制磁场频率的倍频信号叠加，信号可以展开为：

S_x＝S_xdc+S_x1f+S_x2f+R_n

S_x1f＝A_x1B_x cos(tω)

S_x2f＝A_y2 B_y cos(2tω)

其中S_x为X轴检测光输出的电压信号，S_xdc为信号直流偏置分量，S_x1f、S_x2f分别为信号的一、二倍频分量，R_n为高频项，A_xn、A_yn分别为B_x、B_y项的n倍频展开项系数，B_x为X方向剩余磁场，B_y为Y方向剩余磁场，J_n(u)为n阶的第一类贝塞尔函数，其中参数u为

通过锁相放大器实时采集解调X轴信号输出，得到该信号的一、二倍频信号。一倍频信号S_x1f的幅值为X轴剩余磁场B_x的线性函数，因此通过调节Bx将解调出的一倍频信号调整至零即可完成X轴的剩余磁场补偿。二倍频信号S_x2f的幅值为Y轴剩余磁场B_y的线性函数，因此通过调节By将解调出的二倍频信号调整至零即可完成Y轴的剩余磁场补偿。最后关闭Z轴高频调制磁场

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明提出的一种SERF原子自旋陀螺仪的单轴调制式磁补偿方法，可以在SERF原子自旋陀螺仪上，仅用单束检测光完成剩磁补偿的工作。与传统普通单轴补磁场方法相比，传统方法只能将X轴剩磁补偿至Y轴剩磁相当的量级，而该方法中X轴剩磁补偿不受限于Y轴的剩磁量级影响，X、Y双轴的剩余磁场均可补偿至零。

附图说明

图1为本发明的一种SERF原子自旋陀螺仪的单轴调制式磁补偿方法实施例步骤框图。

图2为本发明的SERF原子自旋陀螺仪的系统框图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。应理解，具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

一种SERF原子自旋陀螺仪的单轴调制式磁补偿方法，其特征在于，定义陀螺仪抽运光方向为Z轴，检测光信号沿X轴，输出信号敏感Y轴转动角速率；首先在Y轴方向上加方波扫描信号，补偿抽运光方向的主磁场；主磁场补偿至零场后，在抽运光方向加高频调制磁场，实时采集信号，通过锁相放大器解调得到信号中的各倍频分量，通过调节X轴和Y轴磁补偿线圈上的电压大小，观察各倍频解调信号，补偿Bx和By剩磁，当一倍频解调信号减小到零时，Bx方向剩余磁场补偿至零场；当二倍频解调信号减小到零时，By方向剩余磁场补偿至零场。

图1为本发明的一种SERF原子自旋陀螺仪的单轴调制式磁补偿方法实施例步骤框图。本发明实施的一种SERF原子自旋陀螺仪的单轴调制式磁补偿方法，包括下列步骤：

步骤(1)、首先把SERF原子自旋陀螺仪安装在稳定平台上，调整陀螺仪至正常工作状态，使抽运激光沿Z轴进入敏感气室，检测激光沿X轴方向入射敏感气室，使Y轴沿垂直于检测激光和抽运激光的方向；

步骤(2)、在Y轴方向的磁补偿线圈上施加方波扫描电压，产生Y方向的方波扫描磁场；调节Z轴磁补偿线圈上的电压，改变Z轴施加的偏置补偿磁场，直到X轴光信号的数值不因Y轴扫描磁场的高低而改变，此时Z轴剩磁补偿至零；关闭Y轴扫描场；

步骤(3)、在Z轴方向的磁补偿线圈上施加高频正弦调制信号，通过锁相放大器实时采集X轴输出信号，实时解调一倍频和二倍频，得到该信号的一倍频和二倍频分量；

步骤(4)、调节X轴方向磁补偿线圈的电压值，从而调节X轴方向磁场，当一倍频解调信号降至零时，X轴方向剩余磁场被补偿至零；调节Y轴方向磁补偿线圈的电压值，从而调节Y轴方向磁场，当二倍频解调信号降至零时，Y轴方向剩余磁场被补偿至零；最后关闭Z轴高频调制场即可。

图2是本发明的SERF原子自旋陀螺仪的系统框图。陀螺仪系统包括一个敏感气室1、无磁电加热系统2、磁屏蔽系统3、三轴磁场补偿线圈4、抽运系统5、检测系统6。敏感气室1中充有碱金属钾原子、铷原子、惰性气体氖-21和淬灭气体氮气；无磁电加热系统2将气室加热到工作温度，使气室内形成高气体密度环境；磁屏蔽系统3隔离环境磁场，使系统工作在稳定弱磁环境下；三轴磁场补偿线圈4包括X轴线圈41、Y轴线圈42和Z轴线圈43三个独立的磁场补偿线圈，通过在各线圈上施加直流偏置电压主动补偿磁屏蔽后的剩余磁场。抽运系统5由抽运激光器模块51、整形扩束模块52、饱和吸收稳频模块53、抽运光稳功率模块54和1/4波片55组成。抽运激光从抽运激光器模块出射，经过整形变成能覆盖敏感气室1的大圆光斑，通过饱和吸收稳频模块，使抽运光稳定在钾原子D1线的饱和吸收峰处，通过抽运光稳功率模块，使光强保持大功率且稳定的状态。抽运激光经过各模块后经过一片1/4波片55变为圆偏振光沿Z轴进入碱金属气室，极化钾原子。极化的钾原子通过自旋交换碰撞极化铷原子，并进而超极化惰性气体核子氖-21。检测系统6包含检测激光器61和差分检测光路62，单轴检测光由检测激光器61出射，沿X轴方向入射敏感气室1，检测光频率对铷原子D1线失谐，由敏感气室1出射后经差分检测光路62检测出光旋角信号。确保上述工作模式，调整陀螺仪至正常工作。

(1)在Y轴线圈42上施加方波扫描磁场，在零角速率输入的情况下，在Y轴方向上施加一个方波调制磁场，相当于对X轴的光信号中的B_y项求一阶偏导。调节Z轴线圈43上的电压，改变Z轴施加的磁场，直到X轴光信号的数值不因Y轴扫描磁场的高低电平B_y而改变，即下式项为零，此时可以确定Z轴剩磁B_z为零。

其中S_x为X轴检测光输出的电压信号，B_y为Y方向剩余磁场，γ_e为电子旋磁比，P_ez为Z轴方向电子极化率，R_etot为电子总弛豫率，B_z为Z方向剩余磁场，B_e为电子自旋产生的磁场。

补偿完毕后关闭Y轴扫描场。

(2)补偿Z轴剩磁后，继续补偿X、Y方向剩磁，在Z轴线圈43的偏置直流磁场B₀上额外叠加一个高频正弦调制信号B_msin(ωt)，则Z轴施加的总磁场信号B_a为：

B_a＝B_m sin(tω)+B₀

其中B_a为Z轴方向施加的磁场，B_m为调制磁场幅值，B₀为前述的Z轴偏置补偿磁场，ω为角频率。

气室中的电子感受到沿Z方向的高频调制磁场信号，具体根据Bloch方程为，

其中，P₊＝P_x+iP_y，P₊为横向平面内的极化率矢量，P_x为X轴方向极化率，P_y为Y轴方向极化率；Q为减速因子，R_etot为电子总弛豫率，γ_e为电子旋磁比，B_m为调制磁场幅值，ω为调制磁场角频率，B_e为电子磁场；B₊＝B_x+iB_y，其中B₊为横向平面内的磁场矢量，P_x为X轴方向磁场，P_y为Y轴方向磁场；P_ez为电子纵向极化率。

X轴的输出信号为调制磁场频率的倍频信号叠加，信号可以展开为：

S_x＝S_xdc+S_x1f+S_x2f+R_n

S_x1f＝A_x1B_x cos(tω)

S_x2f＝A_y2B_y cos(2tω)

其中S_x为X轴检测光输出的电压信号，S_xdc为信号直流偏置分量，S_x1f、S_x2f分别为信号的一、二倍频分量，R_n为高频项，A_xn、A_yn分别为B_x、B_y项的n倍频展开项系数，B_x为X方向剩余磁场，B_y为Y方向剩余磁场，J_n(u)为n阶的第一类贝塞尔函数，其中参数u为

(3)通过锁相放大器实时采集解调X轴信号输出，得到该信号的一、二倍频信号。一倍频信号S_x1f的幅值为X轴剩余磁场B_x的线性函数，因此通过调节Bx将解调出的一倍频信号调整至零即可完成X轴的剩余磁场补偿。二倍频信号S_x2f的幅值为Y轴剩余磁场B_y的线性函数，因此通过调节By将解调出的二倍频信号调整至零即可完成Y轴的剩余磁场补偿。最后关闭Z轴高频调制磁场

图2中检测系统6为差分偏振检测方式，也可由光弹调制检测方式和法拉第调制检测方式等其他可检测敏感气室1内原子产生的光旋角信号的检测方式代替。

本发明给出的一种具体实施方式是SERF原子自旋陀螺抽运激光沿Z方向极化原子，检测激光沿X方向检测；同样的方法对于检测激光沿Y轴方向入射敏感气室时同理适用，只需将上述实施例中的X、Y互换即可。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种SERF原子自旋陀螺仪的单轴调制式磁补偿方法，其特征在于，定义陀螺仪抽运光方向为Z轴，检测光信号沿X轴，输出信号敏感Y轴转动角速率；首先在Y轴方向上加方波扫描信号，补偿抽运光方向的主磁场；主磁场补偿至零场后，在抽运光方向加高频调制磁场，实时采集信号，通过锁相放大器解调得到信号中的各倍频分量，通过调节X轴和Y轴磁补偿线圈上的电压大小，观察各倍频解调信号，补偿X轴方向剩余磁场Bx和Y轴方向剩余磁场By，当一倍频解调信号减小到零时，Bx补偿至零场；当二倍频解调信号减小到零时，By补偿至零场；

所述单轴调制式磁补偿方法，包括以下步骤：

步骤(1)、首先把SERF原子自旋陀螺仪安装在稳定平台上，调整陀螺仪至正常工作状态，使抽运激光沿Z轴进入敏感气室，检测激光沿X轴方向入射敏感气室，使Y轴沿垂直于检测激光和抽运激光的方向；

步骤(2)、在Y轴方向的磁补偿线圈上施加方波扫描电压，产生Y轴方向的方波扫描磁场；调节Z轴磁补偿线圈上的电压，改变Z轴施加的偏置补偿磁场，直到X轴光信号的数值不因Y轴扫描磁场的高低而改变，此时Z轴剩磁补偿至零，关闭Y轴扫描场；

步骤(3)、在Z轴方向的磁补偿线圈上施加高频正弦调制信号，通过锁相放大器实时采集X轴输出信号，实时解调一倍频和二倍频，得到X轴输出信号的一倍频和二倍频分量；

步骤(4)、调节X轴方向磁补偿线圈的电压值，从而调节X轴方向磁场，当一倍频解调信号降至零时，X轴方向剩余磁场被补偿至零；调节Y轴方向磁补偿线圈的电压值，从而调节Y轴方向磁场，当二倍频解调信号降至零时，Y轴方向剩余磁场被补偿至零；最后关闭Z轴高频调制场即可。

2.根据权利要求1所述的单轴调制式磁补偿方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述陀螺仪包括敏感气室、无磁电加热系统、磁屏蔽系统、三轴磁场补偿线圈、抽运系统和检测系统；调整陀螺仪至正常工作状态是指：将充有碱金属钾原子、铷原子、惰性气体氖-21和淬灭气体氮气的敏感气室通过无磁电加热系统进行加热达到工作温度，磁屏蔽系统隔离环境磁场，使系统工作在稳定弱磁环境下；抽运系统使抽运激光沿Z轴进入敏感气室，使用圆偏振光极化钾原子，极化的钾原子通过自旋交换碰撞极化铷原子，并进而超极化惰性气体核子氖-21；检测系统使检测激光沿X轴方向入射敏感气室，由敏感气室出射后经差分检测光路检测出光旋角信号。

3.根据权利要求1所述的单轴调制式磁补偿方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述陀螺仪包括敏感气室、无磁电加热系统、磁屏蔽系统、三轴磁场补偿线圈、抽运系统、检测系统；所述检测系统为检测敏感气室内原子产生的光旋角信号， 采用差分偏振检测方式或光弹调制检测方式或法拉第调制检测方式。

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